CN104218576B - 一种重合闸电力系统暂态稳定性波动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种重合闸电力系统暂态稳定性波动方法，所述方法包括以下步骤：根据重合闸自动整定系统拓扑固定信息、结合动态安全域计算出在某一故障的情况下，重合闸时刻的测度；获取在故障下故障线路重合闸在全时间域下的失稳度；根据失稳度判断重合闸电力系统的稳定性；输出重合时间后通过光缆传输给控制终端进行重合闸动作控制。采用基于实用动态安全域的重合闸时间整定方法可以明确地描述出能使系统稳定的永久性故障重合闸时间区间。

Description

一种重合闸电力系统暂态稳定性波动方法

技术领域

本发明涉及电气设备及电气工程领域，尤其涉及一种重合闸电力系统暂态稳定性波动方法。

背景技术

重合闸装置是将因故障跳开后的断路器按需要自动投入的一种自动装置。电力系统运行经验表明，架空线路绝大多数的故障都是“瞬时性”的，永久性的故障一般不到10％。重合闸是电力系统快速排除故障，恢复正常运行的重要方式。传统的快速重合闸方式一方面无法灵活配合熄弧时间，使部分暂时性故障无法重合成功，并且快速重合于永久性故障会造成极大的冲击。

已有的研究成果表明，在永久性故障下，不是越快重合越有利于抑制重合后系统后续摆的振荡。实验表明，重合闸动作对系统功角振荡有抑制作用。自适应重合闸需要熄弧判别、继保动作量判别等计算，对实时线路数据要求较高；暂态能量函数方法在系统潮流、功率注入变化时要重新进行计算，有一定的局限性，且不能对系统失稳程度进行具体量化，缺少直观性。

自动重合闸在带来巨大经济效益的同时，也给电力系统带来一些不利影响，主要表现为：

(1)当重合于永久性故障时，一方面电力系统将再次受到短路电流的冲击，有可能造成重合后电力系统的摇摆幅度增大，甚至可能使电力系统失去稳定性；另一方面继电保护再次使断路器断开，断路器在短时间内连续两次切断短路电流，恶化了断路器的工作条件。

(2)在大型火电厂的高压出线上采用自动重合闸，有可能激发起汽轮发电机组轴系扭振，造成轴系某些部件或联轴器的断裂或损伤。

自动重合闸是为了在瞬时性故障消除后使线路重新投入运行，从而在最短时间内恢复整个系统的正常运行状态。但目前电力系统中的自动重合闸不能区分故障是永久性的还是瞬时性的，如果线路故障是瞬时性的，则重合成功；如果故障是永久性的，则将对系统稳定和电气设备造成超过正常运行状态下发生短路时的危害。为了克服传统自动重合闸的这一缺点，提出自适应自动重合闸。实现自适应重合闸的实质，是在做出是否重合的决策以前即能正确识别瞬时性和永久性故障。

发明内容

本发明提供了一种重合闸电力系统暂态稳定性波动方法，本发明提出了以动态安全域为依据的重合闸自动整定系统，有效缓解了重合闸不成功对电力系统稳定性的冲击，提高了电力系统安全极限，详见下文描述：

一种重合闸电力系统暂态稳定性波动方法，所述方法包括以下步骤：

根据重合闸自动整定系统拓扑固定信息、结合动态安全域计算出在某一故障的情况下，重合闸时刻的测度；

获取在故障下故障线路重合闸在全时间域下的失稳度；根据失稳度判断重合闸电力系统的稳定性；

输出重合时间后通过光缆传输给控制终端进行重合闸动作控制。

所述重合闸时刻的动态安全测度具体为：

$C_{\mathrm{ns}}=k_{\mathrm{ns}}\·(V_{\mathrm{ns}}-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{nsi}}\·y_i)$

$V_{\mathrm{ns}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{nsi}}\·y_i-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{nsi}}^{\′}\·y_i}{t_{\mathrm{ns}}-t_{\mathrm{ns}}^{\′}}\·(t_{\mathrm{re}}-t_{\mathrm{ns}}^{\′})+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{nsi}}^{\′}\·y_i$

其中，t_re是重合闸时间；y_i是母线注入功率；a_nsi和a'_nsi是t_re时刻左右相邻时刻t_ns和t'_ns时的超频面系数。k_ns为动态安全测度系数。

所述失稳度具体为：

$M_{\mathrm{inS}}=-M_S=\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i\·y_{\mathrm{acti}}-1$

其中，不同重合闸时刻的超平面系数向量A_i＝[a_i]，现实功率向量Y_act＝[y_acti]。定义稳定度M_S， $M_S=1-\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i\·y_{\mathrm{acti}}.$

本发明提供的技术方案的有益效果是：采用基于实用动态安全域的重合闸时间整定方法可以明确地描述出能使系统稳定的永久性故障重合闸时间区间。重合于永久性故障时失稳度曲线极值点之后的上升斜率较大，而重合闸装置反应、动作需要一定的时间裕度，选取严格的失稳度最小时刻加大了对重合闸设备的要求，并且在重合闸动作滞后的情况下，永久故障可能重合于冲击值较大的时刻。充分利用永久故障重合闸时间-冲击曲线上极值点前的平缓低谷特性可以增加重合闸设备动作裕度，更有实际工程意义。

附图说明

图1为IEEE 4机11节点系统图；

图2为重合闸时间-失稳度关系图；

图3为注入功率为Y′_act下重合闸时间-失稳度曲线图；

图4为线路8-10两端故障重合闸时间-失稳度曲线图；

图5为其余线路故障时时间-失稳度曲线图；

图6为10机39节点重合闸时间-失稳度曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

1、关于重合闸自动整定系统的输入输出参量；

系统输入量参数分两部分：离线计算部分及在线推算部分。其中离线计算部分所需的输入参数为：系统拓扑结构(节点、线路关系、变压器分布及线路阻抗导纳等系统、线路参数)、短路多发线路。在线推算所需的输入参数为：系统中各节点有功功率、无功功率分布情况、各发电机节点机群功角、发生故障类型、发生位置。其中，在线推算部分输入量参数全部可以从现今广泛安装的电力系统同步相量测量装置(Phasor Measurement Unit，PMU)设备中获取，通过开发兼容IEC61850协议的通信接口可以实现输入量自动更新。

系统输出量参数依照上述两部分分为：离线计算部分及在线推算部分。离线计算部分输出量为：全系统各功率节点出口处严重故障安全域超平面系数矩阵、全系统各功率节点出口处严重故障重合闸安全域超平面系数矩阵。以上输出参数均存储在系统中备用。在线推算输出量为：故障对系统致命程度；若永久性故障会使系统在任一重合时间均会导致失稳，则立即闭锁重合闸系统；若故障后，重合闸在时间域上存在使系统稳定裕度足够大的区间时，选择最优(对于系统冲击最小)重合闸时间，并在该时刻发出重合指令。

2、重合闸自动整定系统的特点

一、采用新方法，采用离线计算、在线推算相结合的方法充分考虑在线实时应用所需的时间问题，极大的减小了在线计算的计算量，可以很好满足工程时间要求；

二、充分利用方法的系统稳定程度量化功能，仅在永久性故障重合冲击不使系统失稳的情况下才进行重合；

三、在重合闸时间域上的优化使得重合闸可以重合于最优时间点，使得在永久性故障下对系统的冲击最小。

下面结合重合闸的输入输出参数，以及重合闸自动整定系统的特点详细描述重合闸电力系统暂态稳定性波动方法的操作流程，详见下文描述：

101：根据重合闸自动整定系统拓扑固定信息、结合动态安全域计算出在某一故障的情况下，重合闸时刻的测度；

使用动态安全域的方法将注入功率转变为对系统稳定程度的自变量，在某一组给定的系统节点功率注入下，电力系统在经历了某种给定事故及控制方式后是暂态稳定的，则定义该组注入是动态安全的，其安全域可以为重合闸时间对系统稳定的影响进行在线快速判断。动态安全域的边界可用超平面来近似表示，其中，A＝[a₁,a₂,...a_i,...,a_n]为给定故障状态下超平面系数向量，不随现实注入功率变化；n是注入节点的维数，Y＝[y₁,y₂,...y_i,...,y_n]为临界有功功率注入。

由于动态安全域的求取，在自变量为注入功率的情况下，其在时间轴上的形式是离散的，需要通过一些方法形成完整时间轴上的安全域计算。一般在保证取点密度的情况下，采用近似方法。在动态安全域基础上，某一重合闸时刻对于永久性故障的冲击造成系统振荡的程度可以表示为动态安全测度C_ns(t_re,a_ns,y_i)。可以通过二分法求取C_ns(t_re,a_ns,y_i)最小时的t_re。式中t_re是重合闸时间；a_ns重合闸不成功是超平面系数矩阵；y_i是母线注入功率。

$C_{\mathrm{ns}}=k_{\mathrm{ns}}\·(V_{\mathrm{ns}}-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{nsi}}\·y_i)---\left(1\right)$

$V_{\mathrm{ns}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{nsi}}\·y_i-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{nsi}}^{\′}\·y_i}{t_{\mathrm{ns}}-t_{\mathrm{ns}}^{\′}}\·(t_{\mathrm{re}}-t_{\mathrm{ns}}^{\′})+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{\mathrm{nsi}}^{\′}\·y_i---\left(2\right)$

a_nsi和a'_nsi是t_re时刻左右相邻时刻t_ns和t'_ns时的超频面系数，由离线计算形成离散参照表。目标函数C_ns是永久性故障重合闸不成功情况下对系统失稳的影响程度。k_ns为动态安全测度系数。

在求解系统动态安全域时，可以采用拟合法或解析法，拟合法的特点是计算结果精确，能完整构造出所计算的安全域全貌，但是耗时较长；解析法精度相对较低，但是计算速度快。由于，对于计算安全域都为离线计算(对其的应用是在线的)所以计算时间并非主要影响量，为了保证本发明依据的正确及可靠，此处选择拟合法计算。

102：在线应用时，实时获取PMU输入数据，得到故障发生信号后，系统注入功率向量依照故障前最后得到的功率向量进行待入计算，推算得到在故障下故障线路重合闸在全时间域下的失稳度；

求取节点处母线出口三相短路时，不同重合闸时刻的超平面系数向量A_i＝[a₁,a₂,...a_i,...,a_n]，A_i与现实功率向量Y_act＝[y_act1,y_act2,...y_acti,...,y_actn]相乘得动态安全测度(其中，i＝1,2，…,n)。定义稳定度M_S，定义失稳度M_ins， $M_{\mathrm{inS}}=-M_S=\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i\·y_{\mathrm{acti}}-1.$

103：其中，M_inS>0时系统失稳；M_inS＝0时系统处于是否稳定的临界状态；M_inS<0时系统稳定，且M_inS越小系统越稳定。

基于重合闸时间连续变化下失稳度分析。以失稳度M_inS为主要判断依据，使用动态安全域计算在此线路不同时刻重合闸时系统超平面边界，并使用注入功率和超平面系数计算重合闸动作对系统影响。

104：输出重合时间后通过光缆传输给控制终端进行重合闸动作控制。

3、重合闸自动整定系统运作过程

安装主机后，导入针对测控电网系统范围内的网架拓扑、线路阻抗信息、并联电容器电抗器信息、变压器分布与分接头信息作为离线输入信息。主机根据提供的系统固定信息计算得到各节点母线出口处短路时系统动态安全稳定系数矩阵，时间域上重合闸动态安全稳定系数矩阵。该离线信息定期更新，同时当系统出现拓扑变化时，选择夜间负荷值较低的时段进行更新计算，在更新过程中，重合判断所采用的计算矩阵依据更新前进行计算。

现实故障发生后，系统通过PMU获取在线推算输入量，在得到输入量后，先进行系统稳定性判断，方法采用将故障线路有关功率节点出口处严重故障安全域超平面系数矩阵通过角度旋转法进行推算确定出该故障时系统安全域超平面系数矩阵，将该矩阵与注入功率向量相乘得到系统安全评价量化指标。1.评估后若系统暂态稳定：推算该线路重合闸在时间域上的安全程度，给出最优重合时间；2.评估后若系统暂态失稳：闭锁重合闸系统。

根据IEEE4机11节点系统(如图1所示)8-10线路a段8母线端出口处三相短路重合闸不成功情况，故障跳闸时间0.1s，重合闸不成功重跳闸时间0.08秒。设发电机1为平衡机，功率注入向量Y_act＝[165,115,62,135,42,155]。

使用DSR方法，可以具体定量反映出电力系统随重合闸时间不同，稳定性的非单调变化，并能直观描述稳定及失稳状态。为保持曲线连续性，探究稳定性规律，在计算时不考虑熄弧因素。针对其具体故障而言稳定性极值点出现在1.2s，2.28s，3.62s，并且在5秒之后系统振荡趋于放缓，趋近于故障由继保跳闸排除后不重合时的系统稳定超平面。其中，1.2s的稳定极值点与固定时间重合闸时间取值相近。而第二个与第三个极值点是由于系统振荡过程中重合闸冲击产生。

基于DSR的失稳度波动分析。表1显示了在传统快速重合闸(0.85s)、定时重合闸(1s)下的系统动态安全稳定情况及使用本方法求得的三个重合闸冲击极小值时刻，可以发现三个极值时刻合闸能使系统稳定极限都能较传统重合闸有所提高，而在3.60s时重合闸可以使系统稳极限度比1.0s定时重合闸提高4.4％，比0.85s快速重合闸时提高8.62％。同时求得在3.60s进行重合闸时失稳度低于不进行重合闸情况下系统失稳度。所以当能够永久性故障时，适当选取重合闸时间，较不进行重合闸动作更有利于系统稳定。

表1重合于永久性故障系统稳定性对照表

图2为重合闸时间-失稳度关系。通过大量仿真表明，永久故障重合闸的失稳度波动具有普遍性，图3是注入功率为Y′_act＝[75,170,73,60,170,45]时的重合闸时间-失稳度曲线；图4、5为4机11节点系统各节点处发生三相短路时的重合闸时间-失稳度曲线；图6是IEEE10机39节点16节点母线出口处三相短路时重合闸时间-失稳度曲线。

从图2-5可以看出，永久故障下重合闸时间-失稳度曲线的波动具有普遍性，而使用实用动态安全域计算，可以有效量化失稳指标。

由图3-6可以看出，系统失稳度在重合闸时间域上拥有几个极小值，同时失稳度的下降沿相较上升沿缓和，并且在极值前形成一个斜率平缓的低谷。所以可以利用这些性质改善重合闸装置的动作时间。

本方法分析了永久性故障重合闸时，重合闸时间与系统稳定波动的规律。提出了在永久性故障时，以动态安全域为依据的最优重合闸时刻方案。此方法能有效缓解重合闸不成功对系统稳定性的冲击，提高系统安全极限。选取合适重合闸时刻，能使重合于永久故障情况下的系统稳定程度不弱于故障后不进行重合闸的系统。同时本方法考虑了重合闸装置动作时间裕度，增加了可行的重合闸时间区间。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种重合闸电力系统暂态稳定性波动方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

根据重合闸自动整定系统拓扑固定信息、结合动态安全域计算出在某一故障的情况下，重合闸时刻的测度；

获取在故障下故障线路重合闸在全时间域下的失稳度；根据失稳度判断重合闸电力系统的稳定性；

输出重合时间后通过光缆传输给控制终端进行重合闸动作控制；

所述重合闸时刻的测度具体为：

$C_{ns}=k_{ns}\&CenterDot;(V_{ns}-\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{a}_{nsi}\&CenterDot;y_i)$

$V_{ns}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{a}_{nsi}\&CenterDot;y_i-\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{a}_{nsi}^{\&prime;}\&CenterDot;y_i}{t_{ns}-t_{ns}^{\&prime;}}\&CenterDot;(t_{re}-t_{ns}^{\&prime;})+\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{a}_{nsi}^{\&prime;}\&CenterDot;y_i$

其中，t_re是重合闸时间；y_i是母线注入功率；a_nsi和a'_nsi是t_re时刻左右相邻时刻t_ns和t'_ns时的超频面系数；k_ns为动态安全测度系数；目标函数C_ns是永久性故障重合闸不成功情况下对系统失稳的影响程度。

2.根据权利要求1所述的一种重合闸电力系统暂态稳定性波动方法，其特征在于，所述失稳度具体为：

$M_{inS}=-M_S=\underset{i}{\overset{n}{\&Sigma;}}{a}_i\&CenterDot;y_{acti}-1$

其中，不同重合闸时刻的超平面系数向量A_i＝[a_i]，现实功率向量Y_act＝[y_acti]；定义稳定度M_S，